Новый твердотельный материал преобразует солнечный свет в ультрафиолетовое излучение

Исследователи из Университета Кюсю создали твердотельный молекулярный материал, способный преобразовывать видимый солнечный свет в ультрафиолетовое (УФ) излучение в обычных уличных условиях. Согласно исследованию, опубликованному 23 июня в журнале Nature Communications, новый материал достигает эффективности фотоапконверсии в 1,9%.

Хотя УФ-излучение составляет лишь около 6% солнечного света, достигающего поверхности Земли, оно широко используется в технологиях очистки воздуха, отверждения смол в 3D-печати, затвердевания гелей в стоматологических пломбах и даже в косметологии.

«Мы «складываем» энергию двух фотонов видимого света, чтобы получить один фотон ультрафиолета. Это увлекательный процесс, называемый фотоапконверсией», — объясняет Йоити Сасаки, доцент инженерного факультета Университета Кюсю и автор исследования.

Процесс основан на явлении триплет-триплетной аннигиляции (TTA). Молекула-донор поглощает видимый свет и переходит в высокоэнергетическое триплетное состояние. Затем эта энергия передается соседней молекуле-акцептору. Когда два триплетных состояния встречаются, они объединяются и высвобождают энергию в виде одного УФ-фотона. Ранее TTA эффективно работала только в жидкостях, которые часто требуют токсичных растворителей и могут испаряться.

Прорыв команды связан с органическим полупроводником дигидроинденоиндендиеном (DHI). Исследователи модифицировали его, присоединив алкильные цепи к атомам углерода sp³, что создало контролируемые промежутки между соседними молекулами. Это позволило эффективно передавать энергию, избегая гашения экситонов. Материал продемонстрировал квантовый выход флуоресценции в твердом состоянии более 60%. В паре с молекулой-донором система достигла эффективности апконверсии 1,9%.

«Это означает, что на каждые сто поглощенных фотонов видимого света производится примерно два УФ-фотона. Это может звучать как низкий показатель, но система работает исключительно на естественном солнечном свете. Большинство твердотельных материалов не могут этого добиться даже при гораздо более высокой интенсивности света», — добавляет Сасаки.

Исследователи подали патентную заявку на материал. Он относительно прост в синтезе и изготавливается из недорогих исходных материалов. Команда считает, что его можно будет использовать в солнечном фотокатализе, системах очистки воздуха в помещениях и технологиях 3D-печати с низкой интенсивностью.

Для исследователей это достижение стало кульминацией более чем 14-летней работы. Профессор Нобуо Кимидзука, ныне почетный профессор, начал изучать апконверсию фотонов в 2012 году. Ключевой прорыв произошел в мае 2024 года, менее чем за год до его выхода на пенсию. Аспиранты Наоюки Харада, Хаято Сёяма и Нутнича Бунмонг вместе с Сасаки и бывшим доцентом Киити Мидзуками объединили многолетние исследования в финальную публикацию.

«Мы передали черновик профессору Кимидзуке всего за 11 дней до его ухода из лаборатории, что для нас стало сердечным прощальным подарком», — отмечает Сасаки.

«Это открытие является кульминацией более чем 14 лет наших исследований и знаменует собой важную веху в области фотоапконверсии и молекулярной самосборки», — заключает Кимидзука.